Kvantummagnetométerek: Navigáció az emberi birodalmakban

Ha egy kvantumtechnológia nem tudja egészségesebbé, gazdagabbá és élvezetesebbé tenni emberi életünket, akkor mi az értéke? Ezek az emberi birodalom kvantumtechnológiai felhasználási esetei: Agyak, civilizációés GPS-mentes utazás, a korábbinál nagyobb érzékenységgel és könnyebben használható mágneses mezőket szondázzon.

A mágneses B-mező tartománya, amelyet ma vizsgálunk, 1pT – 1fT. Lásd az 1. ábrát A Föld mágneses tere amplitúdó (10^-4 T) van ~1000-szer nagyobb mint környezeti zaj (10^-7-10^-9 T), és ~100 milliószor nagyobb, mint a fejbőrön az idegi áramok által keltett mágneses mezők. magnetoencephalográfia (MEG)

Ábra 1. Nagy érzékenységű mágneses térérzékelő technológia dia 11, of David Pappas (NIST) bemutatója az Amerikai Fizikai Társaság 2008. márciusi APS találkozóján.

Bennett és társai, 2021. évi áttekintés: Precíziós magnetométerek repülési alkalmazásokhoz a megjegyzésekkel ellátott 2. ábra mutatja érdeklődési körünket. A piros téglalapban azt látjuk, hogy az érzékelők a következők felé haladnak: kisebb méretek, pontosabb felbontás és kisebb energiaigény. Felhasználási eseteink szempontjából különösen érdekes ez a négy:

• NV = nitrogén üresedés a gyémántban (lásd IQT: Kvantumgyémánt hiányok és eszközök);
• AVC = atomgőzcella: Egy üvegcella, amely 400 K lúggőzt tartalmaz, lézeres megvilágítás hatására beállítja a forgásait. Ha mágneses tér van jelen, az újrasugárzott fény polarizációja vagy amplitúdója megváltozik (3.1. szakasz, Bennett et al's, 2021);
• JOBBÁGY = Spin Exchange Relaxation-Free: mint az AVC, de sűrűbb gőz magasabb hőmérsékleten, ami nagyobb érzékenységet eredményez (Bennett et al's, 3.1 Review 2021. szakasza); és

TINTAHAL = szupravezető kvantum interferencia eszközök; robusztus technológia az 1960-as évek közepén

Ábra 2. OM = optomechanikai, NV = NV központok gyémántban, Atomic Vapor Cell + SERF = csapdába esett atom kvantumtechnológia, SQUID – SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), Bennett et al's 2021. évi áttekintése: Precíziós magnetométerek repülési alkalmazásokhoz  

tekintettel OM = Optomechanikai: Ez egy gazdag téma, amelyet a jövőben külön kell írni. Ha kíváncsi az OM-re, lásd a 3.2 szakaszt Bennett és mtsai, 2021 Review, további részleteket Li et al., 2021 Üreges optomechanikai érzékelés.

agyvelő
Magneto-encephalográfia (MEG) egy non-invazív, neurofiziológiai technika, amely az agy neuronális aktivitása által generált mágneses mezőket méri. A MEG az közvetlen, nagyobb időbeli felbontással: ~ms, és nagyobb térbeli felbontással: ~mm, mint közvetett mérések, például fMRI, PET és SPECT.

A MEG-ek aranystandardja jelenleg a SQUID, de ez a szabvány 2018-ban kezdett elmozdulni atomgőzcella kvantum (ütés) technológia; különösen annak optikailag pumpás magnetométerek (OPM), És Boto et al, 2018-as új MEG rendszer. Míg a SQUID érzékelők femtotesla (fT) érzékenységgel rendelkeznek, a SQUID érzékelőknek van néhány negatívuma: 1) kriogén hűtési követelmények, 2) merev, páciensfej-mozgás egy ~500 kg-os egység belsejében, 3) rugalmatlanság a változó fejméretekhez. Gyermek betegek számára a SQUID érzékelők MEG-jei különösen alkalmatlanok.

Boto és munkatársai 2018-as MEG-OPM prototípus rendszere ezeket a negatívokat egy ~1 kg-os egyedi sisakkal kezelte, amelyre 13 OPM érzékelőt szereltek fel. Mindegyik érzékelő 3x3x3 mm-es volt³, ⁸⁷Rb-gőzzel töltött és fűtött alkatrész ~150C-on, sisak testhőmérsékletével. A sisak egy 3D-nyomtatott „szkenner-öntvény” volt, amelyet a páciens fejére terveztek, anatómiai MRI-vizsgálattal. A mágneses teret a fényáteresztés fotodiódával detektálható csökkenése jelezte, miután egy 795 nm-es, cirkulárisan polarizált lézersugár spin-polarizálta a sejt Rb atomjait.

Feys és munkatársai, 2022. május: A fejbőrre optikailag pumpált magnetométerek a kriogén magnetoencephalográfiával szemben az epilepszia diagnosztikai értékelésére iskoláskorú gyermekeknél 32 érzékelővel javítja a fentieket, amelyeket idiopátiás vagy refrakter fokális epilepsziában szenvedő gyermekbetegeken teszteltek. A kutatás célja az interiktális epilepsziás kisülések (IED) kimutatása és a MEG-OPM adatok MEG-SQUID adatokkal való összehasonlítása volt. Feys és társai 2022-es munkája ezt bizonyította MEG-OPM biztosított hasonló érzékenység: 1-3pT/Hz^1/2, de nagyobb IED amplitúdó és magasabb jel-zaj viszony, mint a hagyományos MEG-SQUID.  A 3. ábra a kísérleti összeállítást mutatja.

ábra 3 Kísérleti beállítás az OPM és a SQUID MEG IED mérésére (4^th ábra) származó Feys és társai, 2022.

A MEG kutatási terület új megközelítésekkel dolgozik, amelyek rugalmas OPM és SERF terveket valósítanak meg. Egy pillantást vethetünk arra, ami előttünk áll, a használati eseteiben Absztrakt könyv az Mai Noise Tomorrow's Signal 2019 workshop.

civilizációk
A régészeti mágneses tértérképezés aranystandardja az Is SQUID technológia. Egy nagy horderejű példa, amely felfedezte a főváros történelmi kiterjedését: a mongol kori Karakorum közzétett Bemmann et al, 2021, tavaly novemberben, vezetéssel Természet. A folyóiratban egy egzotikus kinézetű terepfotó volt látható, amely egy kocsit tartalmazott, amely krionikusan hűtött SQUID-ot szállított, amelyet egy terepjáró húzott. Miért emelne ki a természet egy olyan tudományos eredményt, amely a SQUID-on, az 1960-as évek közepének technológiáján alapul? Az intrika nyerte a napot.

Azt javaslom a régészeti mágneses térképezőknek, hogy vegyék fontolóra a geofizikai megközelítés előnyeit a drónok használatában. Kulcsszavas kereséssel: UAV mágneses mező feltérképezése, drónra szerelhető, magnetométereket fog felfedezni, alapján atomi gőzcellák amelyek megközelítik a SQUID érzékelők mágneses mező fluxusérzékenységét: több pT/Hz nagyságrendben^1/2. Emellett az atomgőzcellák új működési módjai, mint pl fényeltolódás-szórt Mz, amelyek tovább növelik a magnetométer érzékenységét.

Vegye figyelembe ezeket az előnyöket:
1) Hatékonyabb adatgyűjtés és -feldolgozás, 2) alacsonyabb helyszíni költségek, 3) hozzáférés a nehezen megközelíthető vagy magas kockázatú régiókhoz, 4) nagyobb munkavállalói biztonság, 5) UAV integráció más geofizikai érzékelőkkelés 6) nincs szükség kriosztátokra. Hátránya a SQUID-hoz képest az skaláris, ahelyett vektor, mágneses fluxus mérése. A GPS inerciális érzékelők és a magas mintavételi frekvencia azonban leképezési lehetőségeket biztosítanak. Ez a 21 perces videó a Geometrics-től, amiből kiragadtam egy keretet a 4. képhez, mutatja ilyen rendszer a terepen.

ábra 4 Egy képkocka megragadása egy Geometrics videóból, amely mutatja UAV mágneses tér térképezés

GPS nélküli utazás

Hol van Sötét jég? Ezt a részt egy rejtéllyel kezdjük. A Lockheed Martin jelentős erőforrásokat fordított a fejlesztésére NV gyémánt magnetométerben prototípus, egy csapattal (MJ DiMario vezetésével), an 6. elem partnerség gyémántgyártáshoz, 21 szabadalmak, Dark Ice tesztek és jövőbeli tervek, nyilvános sajtó (ami oda vezetett több száz nemzetközi sajtó), Dark Ice védjegy és egy logo alkalmazások, kutatás előnyomtatás (Edmonds et al, 2020) és kiadvány (Edmonds és mtsai, 2021).

A Lockheed Martin azonban soha nem követte a logó alkalmazási kérelmét, és a vállalat soha nem adott ki védjegyhasználati nyilatkozatot (SOU) az USPTO-nak. Ezért a logót és a védjegyet elvetették (nagy köszönet D. Barnes-nak, hogy megértette a törvényszerűségeket). A Dark Ice csapat vezetője 2020-ban elhagyta a Lockheed Martint, hogy saját céget alapítson. A nyilvános kutatási eredmények közül az előzetes nyomtatvány 1. ábráján a műszert csak „Eszköz”-nek hívják, a megfelelő 2021-es folyóiratcikkben pedig a Dark Ice hardveréről készült fotót teljesen törölték. Úgy tűnik, a Dark Ice „sötét” lett.

ábra 5 Lockheed Martin 2019-es sajtóközlemény fotója a Dark Ice eszközről

A prototípus egy szintetikus nitrogénnel adalékolt gyémántot használt a méréshez mágneses tér változásai: erősség és irány. Amikor az Országos Óceán- és Légkörkutató Szövetség által rendelkezésre bocsátott Föld mágneses tereinek térképeivel borították be, a prototípus a Föld helymeghatározási adatait szolgáltatta. Ez a technológia potenciálisan támogatná azokat a helyzeteket, amikor a GPS nem áll rendelkezésre, vagy egyéb kihívást jelentő körülmények között. A Dark Ice csapat nyomtatott és publikált papírjai szerint a gyémánt kémiai gőzleválasztás (CVD) gyártási folyamata sikeres volt sugárzás és a hőkezelés eljárások a kvantumtechnológiai minőségű NV gyémántok gyártásának támogatására.

Ma a fejlesztési fókusz a NV gyémántban kutatási területe az ilyen gyémántok gyártásának javítása és a kiolvasási hűségtechnológiák javítása.

Az átfogóban leírtak szerint Achard és munkatársai, 2020 Review: CVD gyémánt egykristályok NV központokkal, a CVD fő előnye a kvantumminőségű gyémántok előállításához, hogy képes különböző adalékanyagú és összetételű halmozott rétegeket dinamikusan és nagyon rugalmasan megtervezni, amely méretezhető. A Review bemutatja a legjobb eljárásokat az alkalmazástól függően, beleértve a magnetometriát is. A 10-15 ppm-es kvantumtechnológiai rendszer, amelyet a Dark Ice csapat valósított meg, megköveteli igazítani olyan növekedési körülmények, amelyek lehetővé teszik a magas adalékolási hatékonyságot, miközben megőrzik a kristályos minőséget. Edmonds és munkatársai 2021-es eredményei tovább azonosították a magnetométer korlátozó érzékenységi tényezőit.  Himadri Chatterjee 2021-es PhD disszertációja Element-6/Dark Ice-process gyémántot használt más gyémántmintákkal, és kimutatta a mágneses mező érzékelési érzékenységét a ~100 nT/Hz^1/2 rezsim, infravörös abszorpciós magnetometria segítségével. Felsorolta a fejlesztések listáját, hogy a rendszer érzékenysége elérje a tízeseket pT/Hz^1/2 más kutatók érzékenysége. Tézise és az Achard et al Review jó források a közösség kutatási erőfeszítéseinek leírásához.

Bár a Dark Ice eltűnése aggasztó lehet az ilyen magnetométerek műszaki életképességével kapcsolatban, ne aggódj. Ez a megjegyzés megnyugtatja Önt, hogy az NV gyémánt magnetométerben halad előre.

Amara Graps, Ph.D. interdiszciplináris fizikus, bolygókutató, tudománykommunikátor és oktató, valamint minden kvantumtechnológia szakértője.